9.2《库仑定律》 教学设计-2021-2022学年高二上学期物理人教版（2019）必修第三册

9.2 库仑定律
一、教材分析
《库仑定律》是普通高中教科书物理必修第三册第九章第2节的内容。库仑定律是电荷间相互作用的基本规律，是学习电场强度的基础，为整个电磁学奠定了基础，不仅要求学生定性了解库仑定义的内涵，还要会应用库仑定律公式进行有关计算。同时教材介绍了库仑发现这一定律的过程，和库仑扭秤的实验原理，使学生体会该定律的条件和远大意义。
二、学情分析
通过上一节的学习，学生已经掌握电荷及其守恒定律，知道了物体的三种起电方式。同时学生已经知道同种电荷相互排斥、异种电荷相互吸引，也就是电荷之间是有相互作用的，对于本节课探究电荷间作用力的大小和方向这个问题做出了足够的铺垫。首先通过定性实验探究电荷间作用力大小与哪些因素有关，再通过库仑扭秤实验使学生体会探究电荷间相互作用力的分析研究方法，如对点电荷的建模，类比万有引力定律公式推理库仑定律公式，卡文迪许测万有引力常数实验联想体会库仑扭秤的设计原理和思维方法。
三、教学目标
（一）物理观念：认识点电荷的概念，明确点电荷是和质点类似的理想模型。了解库仑定律得出的过程，理解库仑定律的内含和适用条件，进一步构建物质的运动和相互作用观。
（二）科学思维：通过库仑定律建立的探究过程及点电荷概念的提出，体会实验与类比在定律建立过程中发挥的重要作用，并培养学生将实际问题抽象建立物理模型的探究思维能力。
（三）科学探究：通过演示实验，学生定性了解电荷之间的作用力大小与电荷量及电荷间距离的关系。
（四）科学态度与责任：学生体会扭秤实验的设计思路和实验方法，在研究中坚持实事求是，体会放大法的实验思想，提升学生用实验验证猜想的思维能力。对比库仑定律和万有引力公式，体会物理学和谐统一之美。
四、教学重点
理解库仑定律的内涵和适用条件。
五、教学难点
用库仑定律的公式进行有关计算，静电力的叠加原理计算点电荷受多个点电荷作用力。
教学方法：讲授法、演示实验法、启发式教学法、对话教学。
教学流程
七、教学过程
（一）创设情境，提出问题
探究电荷相互作用规律。同种电荷相互吸引，异种电荷相互排斥。电荷间相互作用力大小和那些因素相关呢？
（二）实验观察，总结规律
1.观察与思考：请参照如图装置，按如下步骤进行实验：
（1）分别让球形导体A和通草球B带上同种电荷，并使其处于同一水平面上
（2）保持球形导体A和通草球B上电荷量不变，改变球形导体A与通草球B之间的距离，观察悬线与竖直方向偏角的变化
（3）增加球形导体A的电荷量，观察悬线与竖直方向偏角的变化。
分析以上实验现象，分析两个带电体之间的相互作用力可能与什么因素有关？
实验结论：1.带电量保持不变时，距离越近，偏角越大，静电力越大；2.距离保持不变时，带电量越大，偏角越大，静电力越大；电荷之间的作用力随着电荷量的增大而增大，随着距离的增大而减小。
思考：两个带电体之间的静电力与它们的带电量、距离之间存在怎样的定量关系呢？
2.18世纪中叶以前，研究带电体间的静电历经三大困难：
（1）“电力”非常小，没有仪器可以测量；
（2）还没有度量电荷的单位，无法比较电荷的多少；
（3）不清楚带电体上的电荷分布，难以确定相互作用的电荷之间的距离。
库仑定律建立的探究过程：1687年，牛顿的万有引力定律正式发表于《自然哲学的数学原理》之中，解释了万有引力定律服从反比平方规律；1760年，D.伯努利首先猜测电力会不会跟万有引力一样，服从反比规律。1767年，英国化学家普里斯特利根据实验提出猜测，“电的吸引与万有引力服从同一规律，即与距离平方成反比”。 1773年，亨利卡文迪什用两个同心金属壳做实验，得到静电力与距离的 ± / 次方成反比，可惜卡文迪什未公布这一结果。1785年，库仑在前人研究的基础上，通过实验得到库仑定律。
（三）科学探究，建立概念
1、实验方法：控制变量法。
2、如何设计实验：
（1）保持带电量q一定，探究静电力F与距离r的关系
（2）保持距离r一定，探究静电力F与电荷量q的关系。
3库仑扭秤实验：
（1）实验装置：库仑扭秤
（2）主要部件：细银丝、带电的金属小球A和C (C固定)、不带电的小球B。
思考：B球的作用是什么呢？使A球在水平面内平衡
（3）实验原理：A和C之间的作用力使悬丝扭转，扭转的角度和力的大小有一定的对应关系。
（4）实验步骤：
4.思考：在库仑那个时代不清楚带电体上的电荷分布，怎样确定相互作用的电荷之间的距离呢？
探究静电力F与距离r的关系：（1）把带电小球C插入容器并使它靠近A，记录扭转的角度用以比较力的大小
（2)改变A和C之间的距离r，记录每次悬丝扭转的角度，便可找出F与r的关系。
库仑根据电荷在金属球表面上均匀分布的特点，把金属球想象成集中在球心的“点电荷”，即可解决测量带电体之间距离的问题。
实验发现：
点电荷： “点电荷”是一种理想化模型。当两个带电体自身的大小远小于它们之间的距离，可把带电体看作一带电的点，叫做“点电荷”。
探究静电力F与电荷量q的关系：改变A和C的电量q1、q2，记录每次悬丝扭转的角度，便可找出F与q1、q2的关系。
思考：在库仑那个时代，还不知道怎么样测量物体所带的电荷量，甚至连电荷量的单位都没有，又怎么样做到改变A和C的电荷量呢？
利用完全相同金属球接触后电量均分。
实验发现：
（四）归纳总结，明确内涵
1、库仑通过实验得出结论：真空中两个静止点电荷之间的相互作用力，与它们的电荷量的乘积成正比，与它们距离的二次方成反比，作用力的方向在它们的连线上。这个规律称为库仑定律。电荷间这种相互作用力叫做静电力或库仑力。
2、表达式为： k＝9.0×109N·m2/C2
式中的k是比例系数，叫做静电力常量。其值通过实验测定所得。
3、适用条件：真空中，静止点电荷
4、静电力是矢量。方向：在两个点电荷的连线上，同性电荷相斥，异性电荷相吸。
讨论与思考：相隔一定距离的两个带电金属球，因为体积偏大而不能被视为点电荷，如果用两个金属球的球心间距离来计算库仑力，计算结果比真实值偏大、偏小还是相等？为什么
静电力的计算
【例题1】在氢原子内，氢原子核与电子之间的最短距离为。试比较氢原子核与电子之间的静电力和万有引力。
解 :根据库仑定律，它们之间的静电力
根据万有引力定律，它们之间的万有引力
氢原子核与电子之间的静电力是万有引力的 2倍
微观粒子间的万有引力远小于库仑力。
在研究微观带电粒子的相互作用时，可以把万有引力忽略。
静电力的叠加原理：如果存在两个以上点电荷怎样计算静电力呢？是否会因为第三个点电荷被移近而改变呢？（1）如果存在两个以上点电荷，那么，每个点电荷都要受到其他所有点电荷对它的作用力。实验表明，两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而改变。（2）两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。
【例题2】真空中有三个带正电的点电荷，它们固定在边长为 50 的等边三角形的三个顶点上，每个点电荷的电荷量都是 ，求它们各自所受的静电力。
【例题3】在边长立为a的正方形的每个顶点都放置一个电荷量为q的点电荷．如果保持它们的位置不变，每个电荷受其他电荷的静电力是多少，其所受的合力是多少？．
【例题4】如图所示，在一条直线上有两个相距r=0.4m的点电荷A、B，A带电荷量+Q，B带电荷量-9Q．现引入第三个点电荷C，恰好使三个点电荷处于平衡状态，则C应带什么性质的电？放于何处？所带电量为多少
五、合作共建，课堂小结
1．库仑定律表达式为：
(1) k是比例系数，叫做静电力常量。k＝9.0×109N·m2/C2
(2) 方向：在两点电荷的连线上，同种电荷相斥，异种电荷相吸
2．适用条件：真空中 静止的点电荷
3．静电场叠加原理：
(1)两个点电荷之间的作用力不因第三个点电荷的存在而改变。
(2)两个或两个以上点电荷对某一个点电荷的作用力，等于各点电荷单独对这个点电荷的作用力的矢量和。